(57)【要約】ガス燃料式発電所からの二酸化炭素放出物を低減させるための掃引ベースのガス分離プロセス。本発明は、少なくとも２つの圧縮ステップと、燃焼ステップと、二酸化炭素捕捉ステップと、発電ステップと、掃引ベースの膜分離ステップとを伴う。圧縮ステップのうちの１つは、二酸化炭素捕捉ステップにおける処理のために送出される、低圧低温圧縮流を生産するために使用され、それによって、通常、２０〜３０バール以上の高圧流を生産する、典型的コンプレッサからのそうでなければ高温圧縮流を冷却するために、大量のエネルギーを膨張させる必要性を回避する。
2019537511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼プロセスからの二酸化炭素排気を制御するためのプロセスであって、
（ａ）第１の圧縮ステップにおいて、酸素含有流を圧縮し、それによって、第１の圧縮されたガス流を生産するステップと、
（ｂ）二酸化炭素を選択的に除去するように適合されるガス分離装置に前記第１の圧縮されたガス流の少なくとも一部を経路指定し、それによって、二酸化炭素富化流および二酸化炭素枯渇流を生産するステップと、
（ｃ）第２の圧縮ステップにおいて、前記二酸化炭素枯渇流を圧縮し、それによって、第２の圧縮されたガス流を生産するステップと、
（ｄ）燃焼装置において、前記第２の圧縮されたガス流の少なくとも一部とガス状燃料を燃焼させ、それによって、燃焼されたガス流を生産するステップと、
（ｅ）作業ガス流の一部として電気発生器に機械的に結合されるガスタービン装置に前記燃焼されたガス流を経路指定し、前記ガスタービン装置を動作させ、それによって、電力を発生させ、タービン排気流を生産するステップと、
（ｆ）前記タービン排気流の少なくとも一部を膜分離ステップに通過させるステップであって、前記膜分離ステップは、
（ｉ）給送側および透過側を有し、窒素より二酸化炭素におよび酸素より二酸化炭素に選択的に透過性である膜を提供するステップと、
（ｉｉ）前記タービン排気流の第１の部分を前記給送側を横断して通過させるステップと、
（ｉｉｉ）空気、酸素富化空気、または酸素を掃引流として前記透過側を横断して通過させるステップと、
（ｉｖ）前記給送側から、前記タービン排気流と比較して二酸化炭素が枯渇した残留物流を引き出すステップと、
（ｖ）前記透過側から、酸素および二酸化炭素を含む透過流を引き出すステップと
を含む、ステップと、
（ｇ）前記透過流をステップ（ａ）に酸素含有ガスの少なくとも一部として通過させるステップと
を含む、プロセス。
【請求項２】
前記ガス分離装置は、吸収、吸着、液化、および膜分離から成る群から選択される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記ガス分離装置は、膜分離装置である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記膜分離装置は、ポリマー膜を組み込む、請求項３に記載のプロセス。
【請求項５】
前記第２の圧縮流の第２の部分をステップ（ｅ）に前記作業ガス流の一部として通過させるステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６】
（ｈ）ステップ（ｆ）を行う前に、前記タービン排気流の第２の部分をステップ（ａ）に前記酸素含有ガスの少なくとも一部として通過させるステップをさらに含む、請求項１または５に記載のプロセス。
【請求項７】
ステップ（ｆ）を行う前に、前記タービン排気流の少なくとも一部を排熱回収ボイラに経路指定するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項８】
ステップ（ｆ）を行う前に、前記タービン排気流の少なくとも一部を冷却するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
前記残留物流は、５体積％未満の二酸化炭素濃度を有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記第１の圧縮されたガス流は、約２バール〜約１０バールの範囲内の圧力で前記第１の圧縮ステップから引き出される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記第２の圧縮されたガス流は、約３０バールで前記第２の圧縮ステップから引き出される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１２】
ステップ（ｂ）に先立って、前記第１の圧縮されたガスを約３０〜１００℃の温度まで冷却するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記ガス状燃料は、天然ガスを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１４】
前記第１の圧縮流の第２の部分は、ステップ（ｃ）に先立って、ステップ（ｂ）からの前記二酸化炭素枯渇流と混合される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１５】
燃焼プロセスからの二酸化炭素排気を制御するためのプロセスであって、
（ａ）第１の圧縮装置において、酸素含有流を圧縮し、それによって、第１の圧縮されたガス流を生産するステップと、
（ｂ）第２の圧縮装置において、二酸化炭素含有流を圧縮し、それによって、第２の圧縮されたガス流を生産するステップと、
（ｃ）燃焼装置において、前記第１の圧縮されたガス流とガス状燃料を燃焼させ、それによって、燃焼されたガス流を生産するステップと、
（ｄ）二酸化炭素を選択的に除去するように適合されるガス分離装置に前記第２の圧縮されたガス流の少なくとも一部を経路指定し、それによって、二酸化炭素富化流および二酸化炭素枯渇流を生産するステップと、
（ｅ）第３の圧縮装置において、前記二酸化炭素枯渇流を圧縮し、それによって、第３の圧縮されたガス流を生産するステップと、
（ｆ）作業ガス流の一部として電気発生器に機械的に結合されるガスタービン装置に前記燃焼されたガス流および前記第３の圧縮されたガス流を経路指定し、前記ガスタービン装置を動作させ、それによって、電力を発生させ、タービン排気流を生産するステップと、
（ｇ）前記タービン排気流の第１の部分を第２のコンプレッサに前記二酸化炭素含有流の少なくとも一部として戻すステップと、
（ｈ）前記タービン排気流の少なくとも第２の部分を膜分離ステップに通過させるステップであって、前記膜分離ステップは、
（ｉ）給送側および透過側を有し、窒素より二酸化炭素におよび酸素より二酸化炭素に選択的に透過性である膜を提供するステップと、
（ｉｉ）前記タービン排気流の第３の部分を前記給送側を横断して通過させるステップと、
（ｉｉｉ）空気、酸素富化空気、または酸素を掃引流として前記透過側を横断して通過させるステップと、
（ｉｖ）前記給送側から、前記タービン排気流と比較して二酸化炭素が枯渇した残留物流を引き出すステップと、
（ｖ）前記透過側から、酸素および二酸化炭素を含む透過流を引き出すステップと
を含む、ステップと、
（ｉ）前記透過流をステップ（ａ）に酸素含有ガスの少なくとも一部として通過させるステップと
を含む、プロセス。
【請求項１６】
前記ガス分離装置は、吸収、吸着、液化、および膜分離から成る群から選択される、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記ガス分離装置は、膜分離装置である、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記膜分離装置は、ポリマー膜を組み込む、請求項１７に記載のプロセス。
【請求項１９】
ステップ（ｇ）を行う前に、前記タービン排気流の第３の部分をステップ（ａ）に前記酸素含有ガスの少なくとも一部として通過させるステップをさらに含む、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項２０】
ステップ（ｇ）を行う前に、前記タービン排気流を排熱回収ボイラに経路指定するステップをさらに含む、請求項１５または１９に記載のプロセス。
【請求項２１】
ステップ（ｇ）を行う前に、前記タービン排気流を冷却するステップをさらに含む、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項２２】
前記残留物流は、５体積％未満の二酸化炭素濃度を有する、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項２３】
前記第２の圧縮されたガス流は、約２バール〜約１０バールの範囲内の圧力で前記第２のコンプレッサから引き出される、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項２４】
前記第１の圧縮されたガス流は、約３０バールで第１のコンプレッサから引き出される、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項２５】
ステップ（ｄ）に先立って、前記第２の圧縮されたガス流を約３０〜１００℃の温度まで冷却するステップをさらに含む、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項２６】
前記ガス状燃料は、天然ガスを含む、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項２７】
前記第２の圧縮流の第２の部分は、ステップ（ｅ）に先立って、ステップ（ｄ）からの前記二酸化炭素枯渇流と混合される、請求項１５に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜ベースのガス分離プロセスに関し、具体的には、二酸化炭素を燃焼ガスから除去するための掃引ベースの膜分離プロセスに関する。より具体的には、本発明は、ガス燃料式発電所中に統合された低圧低温ＣＯ２捕捉ステップを使用する。
【背景技術】
【０００２】
下記に提示されるのは、詳細な説明において参照される技術的特徴に関するが、必ずしも、詳細に説明されない場合がある、本発明のある側面に関する背景情報である。下記の議論は、請求される発明についての情報または説明される資料の先行技術効果についての情報の関連性に関する容認として解釈されるべきではない。
【０００３】
世界の電気の多くは、石炭発電所によって発生されている。これらの発電所は、生産された電気のキロワットあたり約８００ｇのＣＯ２を大気中に排出している。これらの放出物は、地球温暖化の主な寄与因子である。天然ガスが、石炭に取って代わるためにますます使用されており、特に、米国では、傾斜掘削および水圧破砕の開発によって、大量の低コストガスの供給量が生産されている。天然ガス発電所は、生産された電気のキロワットあたり約４００ｇのＣＯ２を大気中に排出しており、したがって、石炭から天然ガスへの燃料の切替は、ＣＯ２放出物を半分まで削減する。しかしながら、より長期的に見ると、天然ガス発電所の放出物もまた、地球温暖化標的が満たされるべき場合、制御される必要があるであろう。
【０００４】
種々の技術が、ＣＯ２を発電所燃焼排ガスから分離するために開発されており、したがって、ＣＯ２は、隔離され得る。アミン吸収は、先進技術であるが、コストがかかり、その独自の大気放出物を生産し、慎重な運用および保守を要求し、非常に大占有面積を有する。膜技術もまた、開発されており、より低い資本および動作コスト、モジュール式構造、小占有面積、無放出物、および発電所蒸気サイクルに対して変更が要求されないことを含む、多くの利点を有する。しかしながら、本技術は、アミンほど発展されていないものの、最大２０トンＣＯ２／日を処理する実証用ユニットが、構築されている。
【０００５】
米国特許第７，９６２，０２０号において、我々は、ＣＯ２を石炭発電所燃焼排ガスから捕捉するための膜プロセスを開示している。これらのプロセスは、燃焼空気を掃引流として膜接触器内で使用する。空気掃引は、ＣＯ２を燃焼排ガスから引き離し、それをボイラに戻してリサイクルする。ＣＯ２をリサイクルする選択性によって、燃焼排ガス中のＣＯ２の濃度は、増加され、その分離をはるかに容易にする。これらのプロセスは、続いて、米国特許第８，２２０，２４７号等において、ガスタービン発電所に適用されている。
【０００６】
天然ガスタービン発電所は、コストがかかり、大型であって、高度に最適化された機械である。タービンに対する軽微な修正のみが、必要とされ、これらのＣＯ２分離システムが既存のタービンに改造され得ることが期待される。しかしながら、新しい発電所にとって、ＣＯ２捕捉コストの大幅な削減のための最大の希望は、捕捉プロセスをタービン設計の中に統合することである。
【０００７】
１つのそのような統合されたプロセスは、我々の米国特許第９，１４０，１８６号に開示されており、本明細書では、図４に示される。空気吸気流４０６が、第１のコンプレッサ４０１ａに指向される。圧縮されたガス流４４３が、燃焼器４０２において、流入燃料ガス流４１６と燃焼される。燃焼器からの高温高圧ガス流４１７は、次いで、ガスタービン４０３を通して膨張される。ガスタービンは、シャフト４０５によって、それぞれ、第１および第２のコンプレッサ４０１ａおよび４０１ｂと、電気発生器４０４とに機械的に連結される。ガスタービンからの低圧排ガス流４１９は、依然として、高温であって、排熱回収ボイラ４２０に送出される。本区分は、蒸気４２１を生産するボイラを含み、これは、蒸気タービン（図示せず）に指向され得る。排熱回収ボイラから退出するガスの第１の部分、すなわち流４２５は、給送ガスとして、掃引ベースの膜分離ステップ４２６に経路指定される。
【０００８】
ステップ４２６は、酸素および窒素より二酸化炭素に有利に働くように選択的である、膜を使用して、実施される。給送流４２５は、膜の給送側を横断して流動し、空気、酸素富化空気、または酸素を含む掃引ガス流４２８は、透過側を横断して流動する。膜分離ステップは、流４２５を給送流４２５と比較して二酸化炭素が枯渇した残留物流４２９と、透過流／掃引流４３０とに分割する。残留物流は、プロセスによって生産された処理済み燃焼排ガスを形成する。少なくとも１０体積％二酸化炭素を含有する、透過／掃引流４３０が、膜ユニットから引き出され、空気吸気流４０６の少なくとも一部を形成するためのコンプレッサ１０１ａに、すなわち、第１の圧縮ステップ１０１ａに通過される。
【０００９】
タービン排気の第２の部分、すなわち流４４５が、第２のコンプレッサ４０１ｂに指向される。第２の圧縮流４４４が、次いで、ガス−膜分離ステップ４１２に指向される。ステップ４１２は、溶融塩膜４４６を使用し、これは、酸素および窒素より二酸化炭素に選択的であって、第２の圧縮流４４４を二酸化炭素富化透過流４１３と、二酸化炭素枯渇残留物流４１４とに分離する。ステップ４１２は、発生された二酸化炭素の少なくとも５０％〜８０％の任意の割合を燃焼器から除去するか、または、９０％すら燃焼器から除去する。ステップ４１２による高レベルの二酸化炭素除去は、残留物流４１４が大気に排出されず、タービン４０３に戻されるため、要求されない。
【００１０】
しかしながら、本設計の１つの不利点は、ガス分離ユニットの中に給送されている圧縮された空気が、約５００℃と極度に高温であることである。実践的問題として、これは、ＣＯ２透過性膜４４６を、高温に耐え得る、セラミックまたはゼオライト等の非常に高価な無機材料に限定する。より容易に利用可能であり、かつ、より低いコストのポリマー膜が、使用されるべき場合、ガスを３０〜１００℃範囲までもたらすための給送ガスの大量の冷却が、要求される。
【００１１】
したがって、ＣＯ２分離のためのより経済的である統合されたガス分離−タービンプロセスがもし開発されたとしたら有益となるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第７，９６２，０２０号明細書
【特許文献２】米国特許第８，２２０，２４７号明細書
【特許文献３】米国特許第９，１４０，１８６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、ガス燃料式発電所からの二酸化炭素放出物を低減させるための掃引ベースの膜ガス分離ステップを伴う、プロセスである。掃引ベースの膜ガス分離ステップは、二酸化炭素をタービン排ガスから除去し、それを流入掃引流とともに第１の圧縮ステップに戻す。本プロセスはまた、第２の圧縮ステップと、燃焼ステップと、膨張／発電ステップとを含む。
【００１４】
本プロセスはさらに、第１の圧縮ステップと第２の圧縮ステップとの間に統合された二酸化炭素捕捉ステップを含む。炭素捕捉ステップは、第１の圧縮ステップからの圧縮されたガス流を処理し、プロセスから引き出される二酸化炭素富化流と、燃焼ステップに先立って、第２の圧縮ステップにおけるさらなる圧縮のために経路指定される、二酸化炭素枯渇流とを生産するステップを伴う。
【００１５】
二酸化炭素捕捉ステップをタービン圧縮プロセスに統合することによって、膨大なエネルギーおよびコスト節約が、結果としてもたらされ得る。二酸化炭素捕捉プロセスは、従来のプロセスにおけるように、３０バールで圧縮されたガス流に実施され得るが、本ガスは、極度に高温、典型的には、約５００〜８００℃である。本ガスを、本高温ガスを処理し得る、従来の膜または吸収または吸着プロセスのために十分に低い温度まで冷却することは、高価であって、ターボ膨張機を駆動するために要求される有意な割合の熱を喪失させるであろう。炭素捕捉ユニットを約２〜１０バールの範囲内の中間圧縮段階に位置付けることによって、要求される冷却の量が、大幅に低減される。ベンフィールド炭酸カリウムプロセスは、１００〜１２０℃の温度で動作することができる。いくつかのポリマー膜もまた、これらの温度で動作することができる。これは、限定された冷却のみが、要求され、したがって、プロセスを著しく簡略化するであろうことを意味する。
【００１６】
故に、本発明の基本実施形態は、燃焼プロセスからの二酸化炭素排気を制御するためのプロセスであって、
（ａ）第１の圧縮装置において、酸素含有流を圧縮し、それによって、第１の圧縮されたガス流を生産するステップと、
（ｂ）第１の圧縮されたガス流の少なくとも一部を、二酸化炭素を選択的に除去するように適合される、ガス分離装置に経路指定し、それによって、二酸化炭素富化流および二酸化炭素枯渇流を生産するステップと、
（ｃ）第２の圧縮装置において、二酸化炭素枯渇流を圧縮し、それによって、第２の圧縮されたガス流を生産するステップと、
（ｄ）燃焼装置において、第２の圧縮されたガス流の少なくとも一部とガス状燃料を燃焼させ、それによって、燃焼されたガス流を生産するステップと、
（ｅ）燃焼されたガス流を、作業ガス流の一部として、電気発生器に機械的に結合される、ガスタービン装置に経路指定し、ガスタービン装置を動作させ、それによって、電力を発生させ、タービン排気流を生産するステップと、
（ｆ）タービン排気流の少なくとも一部を膜分離ステップに通過させるステップであって、膜分離ステップは、
（ｉ）給送側および透過側を有し、窒素より二酸化炭素におよび酸素より二酸化炭素に選択的に透過性である、膜を提供するステップと、
（ｉｉ）タービン排気流の第１の部分を給送側を横断して通過させるステップと、
（ｉｉｉ）空気、酸素富化空気、または酸素を掃引流として透過側を横断して通過させるステップと、
（ｉｖ）給送側から、タービン排気流と比較して二酸化炭素が枯渇した残留物流を引き出すステップと、
（ｖ）透過側から、酸素および二酸化炭素を含む透過流を引き出すステップと、
を含む、ステップと、
（ｇ）透過流をステップ（ａ）に酸素含有ガスの少なくとも一部として通過させるステップと、
を含む、プロセスである。
【００１７】
圧縮ステップは、別個の離散コンプレッサを使用して、または圧縮されたガスの一部が系列内の中間段階において圧縮装置から除去されることを可能にするように修正された、単一圧縮系列または装置を使用して、実施されてもよい。ガスはまた、適切な圧縮段階において圧縮系列に導入されることができる。コンプレッサは、通常、典型的には、同一シャフト上のガスタービンまたは複数のタービンに結合される。
【００１８】
ステップ（ａ）における圧縮後、ガス分離装置に経路指定されることになるガスは、概して、約２〜１０バール、より好ましくは、約２〜５バールの圧力と、約２００℃未満の温度とにあるであろう。ガス分離装置のための好ましい動作条件に応じて、給送物として二酸化炭素除去／捕捉ステップに通過させる前に、他のプロセス流に対する熱交換等によって、第１の圧縮されたガス流を冷却することが望ましくあり得る。
【００１９】
ステップ（ｂ）の二酸化炭素除去／捕捉ステップは、好ましくは、吸収、吸着、液化、および膜分離、またはこれらの組み合わせから成る群から選択される、少なくとも１つのプロセスを含む。最も好ましくは、二酸化炭素除去ステップは、膜分離ステップである。この場合、窒素および酸素より二酸化炭素に選択的に透過性である膜を含有する膜ユニットを組み込む、ガス分離装置／ユニットが、使用される。種々のタイプの膜が、使用されてもよいが、膜は、ポリマー膜であることが好ましい。
【００２０】
二酸化炭素含有ガス流中の二酸化炭素の一部のみが、二酸化炭素除去プロセスによって除去される必要がある。いくつかのプロセス、例えば、吸収プロセスは、概して、それらがガス流中の９０％以上の二酸化炭素を除去するとき、最も効率的である。この場合、給送ガスの一部のみが、分離ユニットに送出される必要があり、残りは、分離ユニットをバイパスするであろう。膜プロセス等の他のプロセスは、給送ガス中の５０％または６０％のみの二酸化炭素が膜によって除去されるとき、最も効率的である。この場合、分離ユニットに送出される給送ガスの部分は、より大きくなり、ガスの小部分しか分離ユニットをバイパスしないか、または、全く分離ユニットをバイパスしないであろう。
【００２１】
吸収が使用される場合、ガス分離装置は、典型的には、ガスと収着剤を接触させるためのスクラブカラムと、収着剤を再生し、高濃度二酸化炭素流を放出するためのストリップカラムとを組み込むであろう。好ましい収着プロセスは、収着剤としての炭酸カリウムおよびアミンベースのプロセスを使用する、ベンフィールドプロセスを含む。
【００２２】
ステップ（ｂ）は、典型的には、６０体積％、７０体積％、８０体積％、またはそれを上回る二酸化炭素を含有する、濃縮流の形態でプロセスから除去される、二酸化炭素を捕捉する。本流は、液化、隔離、または任意のその他の使用のために送出されてもよい。
【００２３】
ステップ（ｃ）では、二酸化炭素除去ステップからの二酸化炭素枯渇流は、第２のコンプレッサにおいて、約３０バールの圧力および約５００℃以上の温度まで圧縮される。
【００２４】
ステップ（ｄ）は、天然ガス、水素、または合成ガス、またはさらには蒸発された炭化水素液体等の任意の燃焼性ガスを燃料として使用して実施されてもよい。
【００２５】
ステップ（ｅ）は、ガスタービンがコンプレッサおよび発電器に機械的に連結される、発電ステップである。燃焼器からの燃焼されたガスは、作業ガス流の一部としてガスタービンに経路指定され、低圧高温タービン排ガスを生産する。随意に、ある側面では、第２の圧縮流の一部は、燃焼ステップをバイパスし、作業ガス流の一部としての希釈剤流としてタービンに送出されてもよい。
【００２６】
ステップ（ｆ）では、タービン排ガスの少なくとも一部は、窒素より二酸化炭素におよび酸素より二酸化炭素に選択的に透過性の膜を含有する、膜分離ユニットの給送側を横断して通過される。
【００２７】
排気流は、膜の給送側を横断して流動し、空気、酸素富化空気、または酸素の掃引ガスは、透過側を横断して流動し、経膜透過のための駆動力を提供または増強させる。掃引流は、優先的に透過する二酸化炭素を取り込む。組み合わせられた掃引／透過流は、膜ユニットから引き出され、燃焼器に指向され、燃焼ステップへの空気、酸素富化空気、または酸素給送の少なくとも一部を形成する。
【００２８】
掃引ベースの膜分離ステップの不在下では、コンプレッサおよび燃焼器に流入する新鮮な空気は、通常大気含有量の二酸化炭素（３００〜４００ｐｐｍ）を含有するであろう。膜透過／掃引流は、大気空気と比較して２〜３桁二酸化炭素が富化され、好ましくは、少なくとも約１０体積％二酸化炭素、より好ましくは、少なくとも約１５体積％二酸化炭素、または２０体積％以上の等のさらにより高い二酸化炭素を含有するであろう。
【００２９】
ステップ（ｆ）によってもたらされる流入空気または酸素流中の二酸化炭素の大幅な富化は、本組成物調節空気流が、全体的プロセスのために、二酸化炭素除去および捕捉のための源流として利用されることを可能にする。
【００３０】
ステップ（ｆ）（ｉｖ）に従って引き出される残留物流は、プロセスによって生産された処理済み燃焼排ガスを形成し、通常、発電所スタックを介して、環境中に放出される。二酸化炭素含有量は、好ましくは、約５体積％未満、より好ましくは、約２体積％未満、最も好ましくは、約１体積％以下である。ガス燃料式発電所からの燃焼排ガスの従来の含有量の２０％、１０％、またはそれ未満までの二酸化炭素含有量の低減は、発電所の環境影響を大幅に低減させる。
【００３１】
本発明のプロセスは、あらゆるタイプのガス燃料式発電所において実施されることができる。コンバインドサイクル発電所では、ガスタービン排ガス流は、掃引ベースの膜分離ステップへの給送ガスが排熱回収ボイラからの排ガスであるように、ステップ（ｅ）と（ｆ）との間の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）動作を通して指向されることができる。
【００３２】
掃引ベースの膜ステップに通過させる前に、タービン排ガスを冷却することが必要である場合、これは、熱交換によって、または別様に随意の冷却ステップにおいて行われてもよい。任意の凝縮された水は、プロセスから除去され得る。
【００３３】
タービン排ガスの全部または一部のいずれかは、次いで、給送物として掃引ベースの膜分離ステップに送出され、結果としてもたらされる透過／掃引流は、ステップ（ａ）における第１のコンプレッサに返される。我々の前述の第‘２４７号特許に説明される実施形態と同様に、タービン排気流の一部は、随意に、掃引ベースの膜分離ステップを通して通過せずに、方向転換され、圧縮系列に返されてもよい。
【００３４】
上記に議論される実施形態では、二酸化炭素捕捉ステップおよび燃焼ステップは、直列に実施される。すなわち、二酸化炭素捕捉ステップは、燃焼ステップの前に生じる。しかしながら、炭素捕捉ステップおよび燃焼ステップを同時に並行して実施することが望ましくあり得る。このように、典型的には、少なくとも１５％酸素を含有する、酸素豊富ガスが、燃焼器ユニットに送出される一方、第２の二酸化炭素豊富ガスは、最初に、二酸化炭素捕捉／除去ユニットに送出され、次いで、タービン膨張機のための希釈剤ガスとなる。二酸化炭素豊富ガスは、燃焼器に送出されないため、その酸素含有量は、重要ではない。これは、２つのガス流が、プロセス内の別個の場所から取り込まれ、一方では、酸素含有量を最大限にし、他方では、別個に、二酸化炭素含有量を最大限にすることを可能にする。したがって、代替実施形態として、本発明は、以下のステップを含んでもよい。
（ａ）第１の圧縮ステップにおいて、酸素含有流を圧縮し、それによって、第１の圧縮されたガス流を生産するステップと、
（ｂ）第２の圧縮ステップにおいて、二酸化炭素含有流を圧縮し、それによって、第２の圧縮されたガス流を生産するステップと、
（ｃ）燃焼装置において、第１の圧縮されたガス流とガス状燃料を燃焼させ、それによって、燃焼されたガス流を生産するステップと、
（ｄ）第２の圧縮されたガス流の少なくとも一部を、二酸化炭素を選択的に除去するように適合される、ガス分離装置に経路指定し、それによって、二酸化炭素富化流および二酸化炭素枯渇流を生産するステップと、
（ｅ）第３の圧縮ステップにおいて、二酸化炭素枯渇流を圧縮し、それによって、第３の圧縮されたガス流を生産するステップと、
（ｆ）燃焼されたガス流および第３の圧縮されたガス流を、作業ガス流の一部として、電気発生器に機械的に結合される、ガスタービン装置に経路指定し、ガスタービン装置を動作させ、それによって、電力を発生させ、タービン排気流を生産するステップと、
（ｇ）タービン排気流の第１の部分を第２のコンプレッサに二酸化炭素含有流の少なくとも一部として戻すステップと、
（ｈ）タービン排気流の少なくとも第２の部分を膜分離ステップに通過させるステップであって、膜分離ステップは、
（ｉ）給送側および透過側を有し、窒素より二酸化炭素におよび酸素より二酸化炭素に選択的に透過性である、膜を提供するステップと、
（ｉｉ）タービン排気流の第３の部分を給送側を横断して通過させるステップと、
（ｉｉｉ）空気、酸素富化空気、または酸素を掃引流として透過側を横断して通過させるステップと、
（ｉｖ）給送側から、タービン排気流と比較して二酸化炭素が枯渇した残留物流を引き出すステップと、
（ｖ）透過側から、酸素および二酸化炭素を含む透過流を引き出すステップと、
を含む、ステップと、
（ｉ）透過流をステップ（ａ）に酸素含有ガスの少なくとも一部として通過させるステップと、
を含む。
【００３５】
本実施形態は、３つの圧縮ステップを伴う。第１の圧縮ステップでは、掃引ベースの膜分離ステップからの透過／掃引流は、第１の空気吸気流として圧縮され、第１の圧縮されたガス流を生産する。第１の空気吸気流は、約３０バールの圧力および約５００℃以上の温度まで圧縮される。第１の圧縮流は、次いで、燃焼器に、燃料ガス流とともに送出される。
【００３６】
第２の圧縮ステップでは、タービン排気流の一部は、掃引ベースの膜分離ステップをバイパスし、圧縮され、第２の圧縮されたガス流を生産する。第２の圧縮されたガス流は、約２〜１０バール、より好ましくは、約２〜５バールの圧力まで圧縮される。本流は、約２００℃未満の温度を有するであろう。第２の圧縮されたガス流は、次いで、ガス分離装置における処理のために、炭素捕捉ステップに経路指定される。
【００３７】
第３の圧縮ステップでは、炭素捕捉ステップからのオフガスは、圧縮され、第３の圧縮されたガス流を生産する。本流は、約３０バールの圧力まで圧縮され、第１の圧縮ステップのように、約５００℃以上の温度を有する。第３の圧縮流は、次いで、作業ガス流の一部として、燃焼ステップからの燃焼されたガスとともに、ガスタービンに指向される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、２つの圧縮ステップを有し、ガス分離ユニットがステップ間に統合された、本発明の基本実施形態を示す、フロー図の概略図である。
【図２】図２は、二酸化炭素選択的膜分離ユニットが使用される、本発明のガス分離区分の拡大図である。
【図３】図３は、３つの圧縮ステップを有する本発明の実施形態を示す、フロー図の概略図である。
【図４】図４は、２つのコンプレッサを使用したプロセスを示す、フロー図の概略図である（本発明によるものではない）。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
用語「ガス」は、本明細書で使用されるように、ガスまたは蒸気を意味する。
【００４０】
用語「排ガス」、「燃焼排ガス」、および「放出物流」は、本明細書では、同義的に使用される。
【００４１】
用語「モル％」および「体積％」は、本明細書では、同義的に使用される。
【００４２】
本発明は、具体的には、従来の発電所、ＨＲＳＧを組み込むコンバインドサイクル発電所、およびＩＧＣＣ発電所を含む、ガス燃料式発電所からの二酸化炭素放出物を制御するために、膜ベースのガス分離および発電を伴う、プロセスである。本プロセスは、従来の発電所におけるように、複数の圧縮ステップと、燃焼ステップと、膨張／発電ステップとを含む。本プロセスはまた、掃引駆動式膜分離ステップと、二酸化炭素除去または捕捉ステップとを含む。電力を発生させるプロセスに加え、本プロセスは、２つのガス流、すなわち、発電所スタックに送出され得る、低二酸化炭素濃度の排出または燃焼排ガス流と、精製および／または隔離のために送出され得る、高濃度の二酸化炭素生成物流とをもたらす。
【００４３】
本発明による、ガス分離および発電プロセスの基本実施形態のための単純フロー図が、図１に示される。本明細書のプロセススキームを示す、図１および他の図は、非常に単純なブロック図であって、本発明のプロセスの重要なユニット動作を明確にするために意図され、実際のプロセス系列は、圧力、温度、流量、および同等物の加熱、深冷、圧縮、凝縮、圧送、監視等の標準的タイプの付加的ステップを含んでもよいことは、当業者によって理解されるであろう。また、ユニット動作自体は、複数のステップとして、または機器の複数の部品の系列において実施されてもよいことが当業者によって理解されるであろう。
【００４４】
図１に戻ると、空気、酸素富化空気、または酸素が、流１３０としてプロセスの中に導入され、掃引流として、下記により詳細に議論される、掃引駆動式膜分離ユニット１２７の透過側を横断して流動する。透過流１３１は、膜１２８を透過した掃引ガスおよび二酸化炭素の両方を含み、好ましくは、少なくとも約１０体積％、より好ましくは、少なくとも約１５体積％、最も好ましくは、少なくとも約２０体積％の二酸化炭素含有量を有する。流１３１は、タービン排気流１２０および／または補給空気流１３２の一部の随意の追加とともに、空気吸気流１３５として、圧縮ステップ１０１に通過する。
【００４５】
第１の圧縮ステップは、１つまたは複数の圧縮ユニットにおいて実施され、約２〜１０バールの領域内の軽度の圧力で圧縮流１０２を生産する。
【００４６】
典型的には、流１０２は、約１５０〜２００℃の温度における高温である。分離機器の動作温度に応じて、流１０２は、熱交換、回収によって、または別様に随意の冷却ステップ１０３において冷却され、冷却された流１０４を生産してもよい。流１０４は、好ましくは、約３０〜１００℃の温度まで冷却される。冷却の結果として凝縮された水は、流１０５として除去されてもよい。
【００４７】
圧縮流１０２（または冷却された流１０４）は、ガス分離ステップ１０６に指向され、そこで、二酸化炭素は、捕捉され、流１０７を介して、プロセスから除去される。
【００４８】
種々の考慮点が、ステップ１０６のための技術および動作方法論の選択肢に影響を及ぼす。定常状態では、流１０７および１２９においてプロセスから除去される二酸化炭素の質量は、燃焼によって発生された二酸化炭素の質量と等しい。好ましくは、発生された二酸化炭素の少なくとも５０％、より好ましくは、少なくとも８０％または９０％が、流１０７の中に捕捉されるべきである。
【００４９】
なお、ガス分離による給送入口ガス流１０２または１０４からの二酸化炭素の非常に高レベルの除去は、オフガス流１０８が、大気中に排出されず、しかしながら最終的に、掃引ベースの膜分離ステップ１２７に指向されるため、要求されない。掃引ベースの膜分離ステップは、流１０２／１０４中の二酸化炭素濃度が、１５体積％、２０体積％、またはそれを上回る等、比較的に高い傾向にあるように、流１３１中の二酸化炭素をリサイクルする。本リサイクル二酸化炭素の一部のみが、流１０７の中に除去され、標的の高レベルの二酸化炭素捕捉を達成する必要がある。これは、ステップ１０６が、次いで、比較的に低コストかつ低エネルギーのオプションを使用して動作され得るため、プロセスの有意な利点である。
【００５０】
ステップ１０６は、濃縮二酸化炭素流を流１０２または１０４から生成し得る、任意の技術または技術の組み合わせを用いて実施されることができる。使用され得る代表的方法は、限定ではないが、物理的または化学収着、膜分離、圧縮／低温凝縮、および吸着を含む。これらは全て、それらが種々のタイプのガス混合物からの二酸化炭素除去に関するため、当技術分野において周知である。しかしながら、上記に議論される考慮点に基づいて、好ましい技術は、吸収および膜分離である。
【００５１】
ステップ１０６は、プロセスから引き出される、濃縮二酸化炭素流１０７を生産する。規定された好ましい捕捉標的を満たすことに加え、本流は、比較的に高い二酸化炭素濃度を有し、好ましくは、約６０または７０体積％を上回る二酸化炭素を含有する。最も好ましくは、本流は、少なくとも約８０体積％二酸化炭素を含有する。したがって、異例なことに、プロセスは、１つの流において、高レベルの二酸化炭素捕捉および高い二酸化炭素濃度の両方を達成する。
【００５２】
プロセスからの引き出し後、流１０７は、任意の所望の目的地に通過し得る。高濃度は、液化、移送、導管輸送、注入、および他の形態の隔離を促進する。
【００５３】
二酸化炭素除去または捕捉ステップからのオフガス流１０８は、依然として、二酸化炭素を含有するが、圧縮されたガス流１０２／１０４より低い濃度にある。典型的には、必ずしもではないが、本濃度は、少なくとも約５体積％であって、最大約１０体積％またはさらにそれを上回り得る。
【００５４】
流１０８（または流１３６）は、第２の圧縮ステップ１０９に送出される。第２の圧縮ステップは、１つまたは複数のコンプレッサにおいて実施され、約２０バール、３０バール、またはさらにより高い圧力で第２の圧縮流１０９を生産する。図１における第１および第２の圧縮ステップは、２つの別個のコンプレッサを使用して示されるが、圧縮ステップは、単一圧縮系列または装置を使用して実施されてもよく、これは、圧縮されたガスの一部が、系列／装置内の中間段階において、圧縮装置に導入されるかまたはそこから除去されることを可能にするように修正されている。
【００５５】
随意に、第１の圧縮流の一部１３４は、冷却ステップ１０３およびガス分離ステップ１０６をバイパスし、膜残留物流１０８と混合され、第２の圧縮ステップ１０９に進入する前に、空気吸気流１３６を形成することが好ましくあり得る。二酸化炭素除去がガス中のわずか４０〜７０％の二酸化炭素である膜ガス分離プロセスでは、バイパスは、閉鎖される。二酸化炭素除去が約９０％であるアミンプロセスでは、次いで、バイパスは、部分的に開放され、第１の圧縮流の一部のみが、分離ユニットに進む。
【００５６】
第２の圧縮流１１０が、燃料流１１１とともに、燃焼ステップまたはゾーン１１２の中に導入される。天然ガス、他のメタン含有ガス、合成ガス、水素、または空気中で燃焼可能な任意の他の燃料も、使用されてもよい。燃焼は、高温高圧ガス流１１３を生産する。
【００５７】
従来のガス燃料式燃焼プロセスでは、燃焼器からの排ガスは、典型的には、約４または５体積％二酸化炭素を含有する。我々のプロセスでは、二酸化炭素は、下記により詳細に議論されるように、流１３１／１３３／１３５を介してリサイクルされる。その結果、流１１３中の二酸化炭素の濃度は、従来の天然ガス燃料式発電所におけるより高く、頻繁に、少なくとも約１０体積％、さらに少なくとも１５体積％、２０体積％、またはそれを上回って高くなる。
【００５８】
流１１３は、次いで、作業ガス流１１５として、ガスタービン区分１１６に送出される。随意に、第２の圧縮流の一部１１４は、ガスタービン区分１１６に送出される前に、流１１３と混合され、作業ガス流１１５を形成してもよい。本区分は、１つ以上の一般に複数のガスタービンを含有し、これは、シャフト１１７を用いて、コンプレッサ１０１および１０９と、電気発生器１１８とに結合される。作業ガスは、ガスタービンを駆動し、これは、ひいては、発生器を駆動し、電力を生産する。
【００５９】
タービンからの低圧排ガス、すなわち流１１９は、依然として、高温であって、随意に、好ましくは、排熱回収ボイラ１２１に指向される。本区分は、蒸気タービン（図示せず）に指向され得る蒸気１２２を生産するボイラを含む。排熱回収ボイラから退出するガス、すなわち流１２３は、給送ガスとして、掃引ベースの膜分離ステップ１２７に経路指定される。膜ユニットに通過させる前に、タービン排ガスを冷却する必要がある場合、これは、熱交換によって、または別様に冷却ステップ１２４において行われてもよい。任意の凝縮された水は、流１２５として除去され得る。随意のＨＲＳＧ１２１を通した通過、随意の冷却ステップ、または両方の後、タービン排気流は、ここで、給送流１２６として、掃引ベースの膜分離ステップ１２７に通過する。
【００６０】
ステップ１２７は、酸素および窒素より二酸化炭素に有利に働くように選択的である、膜を使用して実施される。膜は、プロセスの動作条件下、少なくとも約１０、最も好ましくは、少なくとも約２０の二酸化炭素／窒素選択性を提供することが好ましい。少なくとも１０または２０の二酸化炭素／酸素選択性もまた、好ましい。少なくとも約３００ｇｐｕ、より好ましくは、少なくとも約５００ｇｐｕ、最も好ましくは、少なくとも約１，０００ｇｐｕの二酸化炭素透過率が、望ましい。透過率は、分離性能に影響を及ぼさないが、透過率が高いほど、同一の分離を実施するために要求される膜面積は、小さくなるであろう。
【００６１】
好適な性能特性を伴う任意の膜が、使用されてもよい。多くのポリマー材料、特に、エラストマ材料は、二酸化炭素に非常に透過性である。二酸化炭素を窒素または他の不活性ガスから分離するための好ましい膜は、ポリエーテルに基づく選択的層を有する。いくつかのそのような膜は、３０、４０、５０、またはそれを上回る等の高い二酸化炭素／窒素選択性を有することが公知である。選択的層のための代表的な好ましい材料は、米国特許第４，９６３，１６５号に詳細に説明される、Ｐｅｂａｘ、すなわち、ポリアミド−ポリエーテルブロックコポリマー材料である。
【００６２】
膜は、均質フィルム、一体型非対称膜、多層複合膜、ゲルまたは液体層を組み込む膜、または微粒子の形態、または当技術分野において公知の任意の他の形態をとってもよい。エラストマ膜が、使用される場合、好ましい形態は、機械的強度のための微小多孔性支持層と、分離性質に関わるゴム状コーティング層とを含む、複合膜である。
【００６３】
膜は、平坦シートまたは繊維として製造され、渦巻状に巻回されたモジュール、プレートおよびフレームモジュール、および注封された中空繊維モジュールを含む、任意の便宜的モジュール形態に格納されてもよい。全てのこれらのタイプの膜およびモジュールの作製は、当技術分野において周知である。渦巻状に巻回されたモジュールにおける平坦シート膜の使用が好ましい。
【００６４】
ステップ１２７は、膜モジュールの単一バンクまたはモジュールのアレイにおいて実施されてもよい。膜モジュールの１つまたはバンクを含有する単一のユニットまたは段階は、多くの用途のために適正である。残留物流が、さらなる精製を要求する場合、第２の処理ステップのために、膜モジュールの第２のバンクに通過されてもよい。透過流が、さらなる濃縮を要求する場合、第２段階処理のために、膜モジュールの第２のバンクに通過されてもよい。そのような多段階または多ステッププロセスおよびその変形は、膜分離ステップが、単段階、多段階、多ステップ、または直列またはカスケード配列における２つ以上のユニットのより複雑なアレイを含む多くの可能性として考えられる方法において構成され得ることを理解するであろう当業者に周知であろう。
【００６５】
流１２６は、膜の給送側を横断して流動し、空気、酸素富化空気、または酸素の掃引ガス流１３０は、透過側を横断して流動する。膜モジュール内のガス流動パターンは、好ましくは、必ずしもではないが、透過側の流動が給送側の流動と少なくとも部分的にまたは実質的に対向流であるようなものであるべきである。
【００６６】
膜ガス分離プロセスでは、経膜透過のための駆動力は、透過側の所望の透過物の部分圧力を給送側のその部分圧力を下回るレベルまで降下させることによって供給される。掃引ガス流１３０の使用は、低二酸化炭素部分圧力を透過側に維持し、それによって、駆動力を提供する。
【００６７】
透過側の二酸化炭素の部分圧力は、掃引流の流率を調節することによって制御されてもよい。高掃引流率は、膜給送ガスからの最大二酸化炭素除去を達成するが、比較的に二酸化炭素が希釈された透過流となるであろう（すなわち、モジュールから退出する掃引ガス中の比較的に低い二酸化炭素富化）。低掃引流率は、透過物中の高濃度の二酸化炭素を達成するであろうが、給送物からの比較的に低レベルの二酸化炭素除去となるであろう。
【００６８】
典型的には、好ましくは、掃引流の流率は、膜給送流の流率の約５０％〜２００％、最も好ましくは、約８０％〜１２０％であるべきである。多くの場合、約１：１の比率が、便宜的かつ適切である。
【００６９】
膜の各側の総ガス圧力は、同一または異なってもよく、それぞれ、大気圧を上回ってもよいまたは下回ってもよい。圧力が、ほぼ同一である場合、駆動力全体が、掃引モード動作によって提供される。随意に、流１２６は、若干高圧で膜ユニットに供給されてもよく、これは、２バール、３バール、または５バール等の数バールの圧力を意味する。これが、流１２６の再圧縮を要求する場合、コンプレッサのために使用されるエネルギーの一部が、タービン内の残留物流１２９を膨張させることによって回収されてもよい。
【００７０】
膜分離ステップは、流１２６を、二酸化炭素が枯渇した残留物流１２９と、透過／掃引流１３１とに分割する。残留物流は、プロセスによって生産された処理済み燃焼排ガスを形成し、通常、発電所スタックを介して、環境中に放出される。本流の二酸化炭素含有量は、好ましくは、約５体積％未満、より好ましくは、約２体積％未満、最も好ましくは、約１体積％以下である。
【００７１】
好ましくは、少なくとも１０体積％二酸化炭素、より好ましくは、少なくとも約１５体積％二酸化炭素を含有する、透過／掃引流１３１は、膜ユニットから引き出され、第１の圧縮ユニット１０１に通過され、空気、酸素富化空気、または酸素給送の少なくとも一部を形成する。
【００７２】
随意に、タービン排気流１１９は、第２の部分に分裂されてもよく、破線１２０によって示される、第２の部分は、掃引ベースの膜分離をバイパスし、流１３３として流１３１とともに、空気、酸素富化空気、または酸素給送の少なくとも一部として、第１の圧縮ユニット１０１に送出されてもよい。
【００７３】
図２は、二酸化炭素除去ステップ１０５のための膜分離を使用する、代表的実施例を示し、熱統合が、流入給送流中の冷却のために使用される。同様の要素は、図１におけるよう付番される。
【００７４】
図２を参照すると、第１の圧縮流１０２が、図１に示されるように、冷却ステップ１０３を通して通過され、この場合、２つの熱交換ステップ１０３ａおよび１０３ｂにおいて実施される。ステップ１０３ａでは、流１０２が、膜残留物流１０８と衝突し、流１０８は、位置Ａとして示される熱交換器に進入し、位置Ｂから退出する。加熱された流１０８は、次いで、図１に関して上記に説明されるように、第２の圧縮ステップ１０９に指向される。
【００７５】
ステップ１０３ｂでは、流１０２の付加的冷却が、冷却された流１０４として膜２３５を含有する膜ステップ１０５に通過する前に、提供される。
【００７６】
本発明の代替実施形態は、図３に示される。空気、酸素富化空気、または酸素が、流３２７としてプロセスの中に導入され、掃引流として、下記により詳細に議論される、掃引駆動式膜分離ユニット３２４の透過側を横断して流動する。透過流３２８は、膜３２５を透過した掃引ガスおよび二酸化炭素の両方を含み、好ましくは、少なくとも約１０体積％、より好ましくは、少なくとも約１５体積％、最も好ましくは、少なくとも約２０体積％の二酸化炭素含有量を有する。流３２８は、流３３１および補給空気流３３２の随意の追加を伴って、空気吸気流３３０として、第１の圧縮ステップ３０１に通過する。
【００７７】
第１の圧縮ステップは、１つまたは複数のコンプレッサにおいて実施され、２０バールまたは３０バール等の数十バールの典型的圧力で第１の圧縮流３０２を生産する。流３０２は、燃料流３０４とともに、燃焼ステップまたはゾーン３０３の中に導入される。天然ガス、他のメタン含有ガス、合成ガス、水素、または空気中で燃焼可能な任意の他の燃料も、使用されてもよい。燃焼は、高温高圧ガス流３１３を生産する。
【００７８】
従来のガス燃料式燃焼プロセスでは、燃焼器からの排ガスは、典型的には、約４または５体積％二酸化炭素を含有する。我々のプロセスでは、二酸化炭素は、下記により詳細に議論されるように、流３２８／３３０を介してリサイクルされる。その結果、流３１３中の二酸化炭素の濃度は、従来の天然ガス燃料式発電所におけるより高く、頻繁に、少なくとも約１０体積％、さらに少なくとも１５体積％、２０体積％、またはそれを上回って高くなる。
【００７９】
タービン排気流の一部３２９は、第２の圧縮ステップ３０５に送出される。第２の圧縮ステップは、１つまたは複数のコンプレッサにおいて実施され、２〜１０バール、好ましくは、約５バール、より好ましくは、約２バールの典型的圧力で第２の圧縮流３０６を生産する。流３０６は、ガス分離ステップ３１０に指向され、そこで、二酸化炭素は、捕捉され、流３１１を介して、プロセスから除去される。分離機器の動作温度に応じて、流３０６は、熱交換によって、または別様に随意の冷却ステップ３０７において冷却され、冷却された流３０９を生産してもよい。冷却の結果として凝縮された水は、流３０８として除去され得る。
【００８０】
種々の考慮点が、ステップ３１０のための技術および動作方法論の選択肢に影響を及ぼす。定常状態では、流３１１および３２６においてプロセスから除去される二酸化炭素の質量は、燃焼によって発生された二酸化炭素の質量と等しい。好ましくは、発生された二酸化炭素の少なくとも５０％、より好ましくは、少なくとも８０％または９０％が、流３１１の中に捕捉されるべきである。
【００８１】
なお、ガス分離による給送入口ガス流３０６または３０９からの二酸化炭素の非常に高レベルの除去は、オフガス流３１２が、大気中に排出されず、掃引ベースの膜分離ステップ３２４に指向されるため、要求されない。掃引ベースの膜分離ステップは、流３０９中の二酸化炭素濃度が、１５体積％、２０体積％、またはそれを上回る等、比較的に高い傾向にあるように、流３３０中の二酸化炭素をリサイクルする。本リサイクル二酸化炭素の一部のみが、流３１１の中に除去され、標的の高レベルの二酸化炭素捕捉を達成する必要がある。これは、ステップ３１０が、次いで、比較的に低コストかつ低エネルギーのオプションを使用して動作され得るため、プロセスの有意な利点である。
【００８２】
ステップ３１０は、濃縮二酸化炭素流を流３０６または３０９から生成し得る、任意の技術または技術の組み合わせを用いて実施されることができる。使用され得る代表的方法は、限定ではないが、物理的または化学収着、膜分離、圧縮／低温凝縮、および吸着を含む。これらは全て、それらが種々のタイプのガス混合物からの二酸化炭素除去に関するため、当技術分野において周知である。しかしながら、上記に議論される考慮点に基づいて、好ましい技術は、吸収および膜分離である。
【００８３】
ステップ３１０は、プロセスから引き出される、濃縮二酸化炭素流３１１を生産する。規定された好ましい捕捉標的を満たすことに加え、本流は、比較的に高い二酸化炭素濃度を有し、好ましくは、６０または７０体積％を上回る二酸化炭素を含有する。最も好ましくは、本流は、少なくとも約８０体積％二酸化炭素を含有する。したがって、異例なことに、プロセスは、１つの流において、高レベルの二酸化炭素捕捉および高い二酸化炭素濃度の両方を達成する。
【００８４】
プロセスからの引き出し後、流３１１は、任意の所望の目的地に通過し得る。高濃度は、液化、移送、導管輸送、注入、および他の形態の隔離を促進する。
【００８５】
二酸化炭素除去または捕捉ステップからのオフガス流３１２は、依然として、二酸化炭素を含有するが、圧縮されたガス流３０６／３０９より低い濃度にある。典型的には、必ずしもではないが、本濃度は、少なくとも約５体積％であって、最大約１０体積％またはさらにそれを上回り得る。
【００８６】
流３１２は、空気吸気流として、第３の圧縮ステップ３１４に送出される。随意に、第２の圧縮流の一部３３３は、冷却ステップ３０７およびガス分離ステップ３１０をバイパスし、第２の圧縮ステップ３１４に進入する前に、膜残留物流３１２と混合され、空気吸気流３３５を形成することが好ましくあり得る。二酸化炭素除去がガス中のわずか４０〜７０％の二酸化炭素である膜ガス分離プロセスでは、バイパスは、閉鎖される。二酸化炭素除去が約９０％であるアミンプロセスでは、次いで、バイパスは、部分的に開放され、第１の圧縮流の一部のみが、分離ユニットに進む。
【００８７】
第３の圧縮ステップは、１つまたは複数のコンプレッサにおいて実施され、２０バールまたは３０バール等の数十バールの典型的圧力で第３の圧縮流３１５を生産する。
【００８８】
流３１５は、燃焼されたガス流３１３と組み合わせられ、ガスタービン区分３１７の中に導入される、作業ガス流３１６を生産する。本区分は、１つ以上のガスタービンを含有し、これは、シャフト３１８を用いて、コンプレッサ３０１、３０５、および３１４と、電気発生器３１９とに結合される。作業ガスは、ガスタービンを駆動し、これは、ひいては、発生器を駆動し、電力を生産する。
【００８９】
タービンからの低圧排ガス、すなわち流３１７は、依然として、高温であって、随意に、好ましくは、排熱回収ボイラ３２１に指向される。本区分は、蒸気タービン（図示せず）に指向され得る、蒸気流３２２を生産するボイラを含む。排熱回収ボイラから退出するガス、すなわち流３２３は、給送ガスとして、掃引ベースの膜分離ステップ３２４に経路指定される。膜ユニットに通過させる前に、タービン排ガスを冷却する必要がある場合、これは、熱交換によって、または別様に冷却ステップ（図示せず）において行われてもよい。随意のＨＲＳＧ３２１を通した通過、随意の冷却ステップ、または両方の後、タービン排気流は、ここで、給送流３２３として、掃引ベースの膜分離ステップ３２４に通過する。
【００９０】
ステップ３２４は、酸素および窒素より二酸化炭素に有利に働くように選択的である、膜３２５を使用して実施される。膜は、プロセスの動作条件下、少なくとも約１０、最も好ましくは、少なくとも約２０の二酸化炭素／窒素選択性を提供することが好ましい。少なくとも１０または２０の二酸化炭素／酸素選択性もまた、好ましい。少なくとも約３００ｇｐｕ、より好ましくは、少なくとも約５００ｇｐｕ、最も好ましくは、少なくとも約１，０００ｇｐｕの二酸化炭素透過率が、望ましい。透過率は、分離性能に影響を及ぼさないが、透過率が高いほど、同一の分離を実施するために要求される膜面積は、小さくなるであろう。
【００９１】
好適な性能特性を伴う任意の膜が、使用されてもよい。多くのポリマー材料、特に、エラストマ材料は、二酸化炭素に非常に透過性である。二酸化炭素を窒素または他の不活性ガスから分離するための好ましい膜は、ポリエーテルに基づく選択的層を有する。いくつかのそのような膜は、３０、４０、５０、またはそれを上回る等の高い二酸化炭素／窒素選択性を有することが公知である。選択的層のための代表的な好ましい材料は、米国特許第４，９６３，１６５号に詳細に説明される、Ｐｅｂａｘ、すなわち、ポリアミド−ポリエーテルブロックコポリマー材料である。
【００９２】
膜は、均質フィルム、一体型非対称膜、多層複合膜、ゲルまたは液体層を組み込む膜、または微粒子の形態、または当技術分野において公知の任意の他の形態をとってもよい。エラストマ膜が、使用される場合、好ましい形態は、機械的強度のための微小多孔性支持層と、分離性質に関わるゴム状コーティング層とを含む、複合膜である。
【００９３】
膜は、平坦シートまたは繊維として製造され、渦巻状に巻回されたモジュール、プレートおよびフレームモジュール、および注封された中空繊維モジュールを含む、任意の便宜的モジュール形態に格納されてもよい。全てのこれらのタイプの膜およびモジュールの作製は、当技術分野において周知である。渦巻状に巻回されたモジュールにおける平坦シート膜の使用が好ましい。
【００９４】
ステップ３２４は、膜モジュールの単一バンクまたはモジュールのアレイにおいて実施されてもよい。膜モジュールの１つまたはバンクを含有する単一ユニットまたは段階は、多くの用途のために適正である。残留物流が、さらなる精製を要求する場合、第２の処理ステップのために、膜モジュールの第２のバンクに通過されてもよい。透過流が、さらなる濃縮を要求する場合、第２段階処理のために、膜モジュールの第２のバンクに通過されてもよい。そのような多段階または多ステッププロセスおよびその変形は、膜分離ステップが、単段階、多段階、多ステップ、または直列またはカスケード配列における２つ以上のユニットのより複雑なアレイを含む多くの可能性として考えられる方法において構成され得ることを理解するであろう当業者に周知であろう。
【００９５】
流３２３は、膜の給送側を横断して流動し、空気、酸素富化空気、または酸素の掃引ガス流３２７は、透過側を横断して流動する。膜モジュール内のガス流動パターンは、好ましくは、必ずしもではないが、透過側の流動が給送側の流動と少なくとも部分的にまたは実質的に対向流であるようなものであるべきである。
【００９６】
膜ガス分離プロセスでは、経膜透過のための駆動力は、透過側の所望の透過物の部分圧力を給送側のその部分圧力を下回るレベルまで降下させることによって供給される。掃引ガス流３２７の使用は、低二酸化炭素部分圧力を透過側に維持し、それによって、駆動力を提供する。
【００９７】
透過側の二酸化炭素の部分圧力は、掃引流の流率を調節することによって制御されてもよい。高掃引流率は、膜給送ガスからの最大二酸化炭素除去を達成するが、比較的に二酸化炭素が希釈された透過流となるであろう（すなわち、モジュールから退出する掃引ガス中の比較的に低い二酸化炭素富化）。低掃引流率は、透過物中の高濃度の二酸化炭素を達成するであろうが、給送物からの比較的に低レベルの二酸化炭素除去となるであろう。
【００９８】
典型的には、好ましくは、掃引流の流率は、膜給送流の流率の約５０％〜２００％、最も好ましくは、約８０％〜１２０％であるべきである。多くの場合、約１：１の比率が、便宜的かつ適切である。
【００９９】
膜の各側の総ガス圧力は、同一または異なってもよく、それぞれ、大気圧を上回ってもよいまたは下回ってもよい。圧力が、ほぼ同一である場合、駆動力全体が、掃引モード動作によって提供される。随意に、流３２３は、若干高圧で膜ユニットに供給されてもよく、これは、２バール、３バール、または５バール等の数バールの圧力を意味する。これが、流３２３の再圧縮を要求する場合、コンプレッサのために使用されるエネルギーの一部が、タービン内の残留物流３２６を膨張させることによって回収されてもよい。
【０１００】
膜分離ステップは、流３２３を、二酸化炭素が枯渇した残留物流３２６と、透過／掃引流３２８とに分割する。残留物流は、プロセスによって生産された処理済み燃焼排ガスを形成し、通常、発電所スタックを介して、環境中に放出される。本流の二酸化炭素含有量は、好ましくは、約５体積％未満、より好ましくは、約２体積％未満、最も好ましくは、約１体積％以下である。
【０１０１】
好ましくは、少なくとも１０体積％二酸化炭素、より好ましくは、少なくとも約１５体積％二酸化炭素を含有する、透過／掃引流３２８は、膜ユニットから引き出され、圧縮ユニットに通過され、空気、酸素富化空気、または酸素給送の少なくとも一部を形成する。
【０１０２】
タービン排気流３２０／３２３は、第２の部分流３２９に分裂されてもよく、これは、掃引ベースの膜分離をバイパスし、第２の圧縮ユニット３０５に送出される。
【０１０３】
随意に、タービン排気流３２０／３２３は、破線３３１によって示される第３の部分に分裂されてもよく、これは、掃引ベースの膜分離をバイパスし、流３２８とともに、空気、酸素富化空気、または酸素給送の少なくとも一部として、第１の圧縮ユニット３０１に送出されてもよい。
【０１０４】
本発明は、ここで、具体的実施例によってさらに詳細に図示される。これらの実施例は、本発明をさらに明確化するために意図され、本範囲をいかようにも限定することを意図するものではない。
【実施例】
【０１０５】
全ての計算は、ＭＴＲのエンジニアリンググループによって開発された膜動作のためのコードを含有する、モデル化プログラムＣｈｅｍＣａｄ６．３（ＣｈｅｍＳｔａｔｉｏｎ，  Ｉｎｃ．（Ｈｏｕｓｔｏｎ，  ＴＸ））を用いて実施された。計算に関して、全てのコンプレッサおよび真空ポンプは、８５％効率であると仮定された。それぞれの場合において、計算は、１トン／時間の二酸化炭素を生産する燃焼プロセスに正規化された。
【０１０６】
さらに、膜分離ユニットは、炭素捕捉ユニットとして使用されると仮定された。
（実施例１）
実施例１：ガス分離ステップ、２つのコンプレッサループのために使用される溶融塩膜（本発明によるものではない）
【０１０７】
比較実施例として、コンピュータ計算が、図４に示される設計を伴うプロセスの性能をモデル化するために実施された。各コンプレッサは、３０バールで圧縮されたガスを送達すると仮定された。掃引ユニットに指向されるタービン排ガス対圧縮ステップ４０１ｂに指向されるガスの比率は、３：１に設定された。溶融塩膜は、ステップ４１２のために使用されると仮定された。膜の透過側は、２バールであると仮定された。
【０１０８】
計算の結果は、表１に示される。
【表１】
2019537511.tif 000003
【０１０９】
本プロセスは、０．８体積％二酸化炭素を含有するスタックガスと、約９０体積％二酸化炭素を含有する濃縮生成物流とを生産する。本プロセスは、ガス流４４４中の二酸化炭素の８２％を除去する、溶融塩膜のための約７４ｍ２の膜面積と、掃引ベースのユニットのための約１，４３０ｍ２の膜面積とを要求する。
（実施例２）
実施例２：図１の実施形態、ガス分離ステップのための５バールにおける給送ガス圧力
【０１１０】
計算が、図１に示される本発明のプロセスの性能をモデル化するために実施され、ガス分離ステップ１０６への給送ガスは、圧縮ステップ１０１によって５バールの圧力まで圧縮される。
【０１１１】
計算に関して、給送ガス流１０４は、１６，５５７ｋｇ／時の流率を有し、窒素、酸素、二酸化炭素、および水を含有するように計算された。また、モル組成物が以下のように近似的に計算された。
窒素：      ７４．４％
酸素        １４．４％
二酸化炭素：１０．４％
水：        ０．８％
【０１１２】
排ガス１１９の一部は、流１２０として内部リサイクルとして使用されると仮定された。
【０１１３】
計算の結果は、表２に示される。
【表２】
2019537511.tif 000004
【０１１４】
本プロセスは、１．３％二酸化炭素を含有するスタックガスと、約６９％二酸化炭素を含有する濃縮生成物流とを生産する。本プロセスは、８０％の二酸化炭素回収を達成する。ステップ１０６のために使用される膜面積は、１９８ｍ２であって、ステップ１２７のために要求される膜面積は、１０，０００ｍ２であった。
（実施例３）
実施例３：図１の実施形態、ガス分離ステップのための２バールにおける給送ガス圧力
【０１１５】
計算が、図１に示される本発明のプロセスの性能をモデル化するために実施され、ガス分離ステップ１０６への給送ガスは、圧縮ステップ１０１によって２バールの圧力まで圧縮される。
【０１１６】
計算に関して、給送ガス流１０４は、１６，３５４ｋｇ／時の流率を有し、窒素、酸素、二酸化炭素、および水を含有するように計算された。また、モル組成物が以下のように近似的に計算された。
窒素：      ７０．９％
酸素        １４．８％
二酸化炭素：１２．２％
水：        ２．１％
【０１１７】
排ガス１１９の一部は、流１２０として内部リサイクルとして使用されると仮定された。
【０１１８】
計算の結果は、表３に示される。
【表３】
2019537511.tif 000005
【０１１９】
本プロセスは、３％二酸化炭素を含有するスタックガスと、約６２％二酸化炭素を含有する濃縮生成物流とを生産する。本プロセスは、６０％の二酸化炭素回収を達成する。ステップ１０６のために使用される膜面積は、４５６ｍ２であって、ステップ１２７のために要求される膜面積は、６，０００ｍ２であった。
（実施例４）
実施例４：図３の実施形態、３つのコンプレッサループ
【０１２０】
計算が、図３に示される設計に従って、３つのコンプレッサを使用して、本発明のプロセスの性能をモデル化するために実施された。ガス分離ステップ３１０への給送ガスは、圧縮ステップ３０５によって２バールの圧力まで圧縮された。
【０１２１】
計算に関して、給送ガス流３０９は、１６，３５４ｋｇ／時の流率を有し、窒素、酸素、二酸化炭素、および水を含有するように計算された。また、モル組成物が以下のように近似的に計算された。
窒素：      ７０．９％
酸素        １４．８％
二酸化炭素：１２．２％
水：        ２．１％
【０１２２】
排ガス３２３の一部は、流３３１として内部リサイクルとして使用されると仮定された。
【０１２３】
計算の結果は、表４に示される。
【表４】
2019537511.tif 000006
【０１２４】
本プロセスは、４．５％二酸化炭素を含有するスタックガスと、約７０％二酸化炭素を含有する濃縮生成物流とを生産する。本プロセスはまたは、６０％の二酸化炭素回収を達成する。ステップ３１０のために使用される膜面積は、３６０ｍ２であって、ステップ３２４のために要求される膜面積は、２，０００ｍ２であった。
【図１】
2019537511.tif 000007
【図２】
2019537511.tif 000008
【図３】
2019537511.tif 000009
【図４】
2019537511.tif 000010
【国際調査報告】
2019537511.tif 000011
2019537511.tif 000012
2019537511.tif 000013
2019537511.tif 000014
2019537511.tif 000015
2019537511.tif 000016
2019537511.tif 000017
2019537511.tif 000018